RU2158789C1 - Technology of epitaxial growth of monocrystalline aluminum nitride and growth chamber for implementation of technology - Google Patents
Technology of epitaxial growth of monocrystalline aluminum nitride and growth chamber for implementation of technology Download PDFInfo
- Publication number
- RU2158789C1 RU2158789C1 RU99117433/12A RU99117433A RU2158789C1 RU 2158789 C1 RU2158789 C1 RU 2158789C1 RU 99117433/12 A RU99117433/12 A RU 99117433/12A RU 99117433 A RU99117433 A RU 99117433A RU 2158789 C1 RU2158789 C1 RU 2158789C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- aluminum
- nitrogen
- source
- growth
- growth chamber
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B19/00—Liquid-phase epitaxial-layer growth
- C30B19/08—Heating of the reaction chamber or the substrate
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B23/00—Single-crystal growth by condensing evaporated or sublimed materials
- C30B23/02—Epitaxial-layer growth
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B23/00—Single-crystal growth by condensing evaporated or sublimed materials
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B25/00—Single-crystal growth by chemical reaction of reactive gases, e.g. chemical vapour-deposition growth
- C30B25/02—Epitaxial-layer growth
- C30B25/08—Reaction chambers; Selection of materials therefor
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
- C30B29/10—Inorganic compounds or compositions
- C30B29/40—AIIIBV compounds wherein A is B, Al, Ga, In or Tl and B is N, P, As, Sb or Bi
- C30B29/403—AIII-nitrides
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
- Luminescent Compositions (AREA)
Abstract
Description
Настоящее изобретение относится к способам эпитаксиального выращивания из паровой фазы монокристаллических полупроводников для электронной промышленности. Нитрид алюминия как широкозонный полупроводник представляет собой перспективный материал для изготовления устройств на основе поверхностных акустических волн, а также изолирующих подложек для полупроводниковых приборов, способных работать при высоких температурах. The present invention relates to methods for epitaxial vapor-phase growth of single-crystal semiconductors for the electronics industry. Aluminum nitride as a wide-gap semiconductor is a promising material for the manufacture of devices based on surface acoustic waves, as well as insulating substrates for semiconductor devices capable of operating at high temperatures.
Известны способы выращивания монокристаллического нитрида алюминия, основанные на осаждении из паровой фазы нитрида алюминия, образующегося на подложке в результате химической реакции металлоорганического соединения алюминия с аммиаком. Достоинством этой группы способов является относительно низкая температура, около 1000oC, при которой происходит рост монокристалла, но достигаемая скорость роста слишком мала для промышленного выращивания объемных кристаллов.Known methods for growing single-crystal aluminum nitride based on vapor deposition of aluminum nitride formed on a substrate as a result of a chemical reaction of an organometallic aluminum compound with ammonia. The advantage of this group of methods is the relatively low temperature, about 1000 o C, at which the single crystal grows, but the achieved growth rate is too low for the industrial growth of bulk crystals.
К другой группе способов, используемых для выращивания монокристаллов бинарных соединений, в частности карбида кремния, но еще не получивших должного развития применительно к выращиванию монокристаллического нитрида алюминия, относятся сублимационные способы, основанные на рекомбинации на подложке азота и паров алюминия, полученных испарением материала источника, в качестве которого используют поликристаллический нитрид алюминия. Известной особенностью нитрида алюминия является то, что его температура плавления, известная только теоретически, значительно выше температуры, при которой происходит его разложение на составляющие элементы. Поэтому перенос материала источника на подложку происходит с образованием азота и паров алюминия, которые затем рекомбинируют на подложке. Необходимым условием роста монокристалла является создание разности температур между подложкой и более горячим источником. Для нагрева источника используется индукционный СВЧ нагреватель тигля источника, стенки которого в этом случае выполняются из электропроводного материала, либо обычный резистивный электрический нагреватель. Another group of methods used for growing single crystals of binary compounds, in particular silicon carbide, but which have not yet been adequately developed for growing single-crystal aluminum nitride, includes sublimation methods based on recombination on a substrate of nitrogen and aluminum vapor obtained by evaporation of the source material, in the quality of which is used polycrystalline aluminum nitride. A known feature of aluminum nitride is that its melting point, known only theoretically, is significantly higher than the temperature at which it decomposes into constituent elements. Therefore, the transfer of the source material to the substrate occurs with the formation of nitrogen and aluminum vapor, which then recombine on the substrate. A necessary condition for the growth of a single crystal is to create a temperature difference between the substrate and the hotter source. To heat the source, an induction microwave heater of the crucible of the source is used, the walls of which in this case are made of an electrically conductive material, or a conventional resistive electric heater.
Основными препятствиями в выращивании объемных монокристаллов нитрида алюминия больших размеров сублимационным методом является незначительная скорость роста, даже при температурах около 2000oC, и высокая агрессивность паров алюминия при этих температурах по отношению к материалу тигля. Известно использование таких материалов, как вольфрам, графит и графит, покрытый пленкой карбида кремния.The main obstacles in growing bulk aluminum nitride single crystals by the sublimation method are the insignificant growth rate, even at temperatures of about 2000 ° C, and the high aggressiveness of aluminum vapor at these temperatures with respect to the crucible material. It is known to use materials such as tungsten, graphite, and graphite coated with a silicon carbide film.
Наиболее близким к предложенному изобретению является сублимационный способ, описанный в статье C.M. Balkas et al."Growth of bulk AIN and GaN Single Crystals by Sublimation", Materials Research Society Symposium Proceedings. Vol. 449, 1997 (C.M. Балкас и др. "Сублимационное выращивание объемных монокристаллов AlN и GaN", опубликованная в трудах симпозиума Общества исследования материалов, том 449, 1997, США). В этой работе приводится описание экспериментов по выращиванию монокристаллов нитрида алюминия в графитовой камере с резистивным нагревателем. Подложка устанавливалась в камере аксиально с поверхностью источника на различных расстояниях от нее в пределах от 1 до 40 мм. В ходе экспериментов была установлена непригодность чистого графита в качестве материала для тигля, который разрушался в результате реакции графита с парами алюминия, приводившей к образованию карбида алюминия (Al4C3). Выращивание проводилось с использованием графитовых тиглей с покрытием из карбида кремния (SiС), которые обеспечивали возможность однократного проведения процесса продолжительностью 10-15 часов при температурах, близких к 2000oC. За это время происходило разрушение SiС покрытия вследствие диффузии алюминия сквозь покрытие и его реакции с графитом. Для получения стабильной скорости испарения в качестве материала источника использовался прессованный порошок поликристаллического нитрида алюминия, а в качестве затравочного кристалла подложки использовался карбид кремния. Выращивание осуществлялось при температурах в диапазоне 1950-2250oC и продувке камеры азотом при фиксированном давлении 500 торр (приблизительно 670 миллибар).Closest to the proposed invention is the sublimation method described in the article CM Balkas et al. "Growth of bulk AIN and GaN Single Crystals by Sublimation", Materials Research Society Symposium Proceedings. Vol. 449, 1997 (CM Balkas et al. "Sublimation growing of bulk AlN and GaN single crystals", published in the proceedings of the symposium of the Society for the Study of Materials, vol. 449, 1997, USA). This paper describes experiments on growing single crystals of aluminum nitride in a graphite chamber with a resistive heater. The substrate was mounted axially with the surface of the source at various distances from it in the range from 1 to 40 mm. In the course of the experiments, the unsuitability of pure graphite as a material for a crucible that was destroyed as a result of the reaction of graphite with aluminum vapor, which led to the formation of aluminum carbide (Al 4 C 3 ), was established. The cultivation was carried out using graphite crucibles coated with silicon carbide (SiC), which provided the possibility of a single process for 10-15 hours at temperatures close to 2000 o C. During this time, the destruction of the SiC coating occurred due to diffusion of aluminum through the coating and its reaction with graphite. To obtain a stable evaporation rate, a pressed powder of polycrystalline aluminum nitride was used as the source material, and silicon carbide was used as the seed crystal of the substrate. The cultivation was carried out at temperatures in the range 1950-2250 o C and purging the chamber with nitrogen at a fixed pressure of 500 torr (approximately 670 mbar).
Такое давление вводимого извне азота создает значительный избыток азота в составе паровой фазы по сравнению с составом, получающимся при испарении нитрида алюминия источника. Расчет показывает, что давление паров нитрида алюминия, образующихся в условиях эксперимента при температуре 2250oC, достигает только величины 200 миллибар.Such pressure of nitrogen introduced from outside creates a significant excess of nitrogen in the composition of the vapor phase in comparison with the composition obtained by evaporation of the aluminum nitride source. The calculation shows that the vapor pressure of aluminum nitride formed under experimental conditions at a temperature of 2250 o C, reaches only 200 millibars.
В указанной выше работе утверждается, что нитрид алюминия обладает особенностью, заключающейся в "очень высоком равновесном давлении паров азота при умеренных температурах". In the above work, it is stated that aluminum nitride has the feature of "very high equilibrium nitrogen vapor pressure at moderate temperatures."
Когда речь идет о "высоком" равновесном давлении пара одного из элементов бинарного соединения, испаряющегося с разложением на элементы, специалисту в данной области техники понятно, что имеется в виду сравнение равновесных парциальных давлений паров элементов этого соединения в замкнутой системе, находящейся в тепловом равновесии. Цитированное выше утверждение, относящееся к нитриду алюминия, означает, что концентрация атомов азота в парах нитрида алюминия значительно превышает концентрацию атомов алюминия, последнее может иметь место только в случае, если в замкнутой системе равновесное давление паров устанавливается таким образом, что атомы алюминия из паровой фазы, минуя рекомбинацию с азотом, переходят в жидкую фазу алюминия. Очевидно, создание высокого фонового давления азота в этих экспериментах продиктовано стремлением избежать опасности образования жидкой фазы (капель) алюминия в процессе выращивания на ростовой поверхности монокристалла и стенках камеры и этим избежать потерь алюминия, а также возможного при этом образования дефектов кристаллической структуры. When it comes to "high" equilibrium vapor pressure of one of the elements of a binary compound, vaporizing with decomposition into elements, one skilled in the art will understand that this refers to a comparison of the equilibrium partial vapor pressures of the elements of this compound in a closed system in thermal equilibrium. The statement cited above relating to aluminum nitride means that the concentration of nitrogen atoms in the vapor of aluminum nitride is significantly higher than the concentration of aluminum atoms, the latter can only occur if the equilibrium vapor pressure is established in a closed system so that aluminum atoms from the vapor phase Bypassing the recombination with nitrogen, they pass into the liquid phase of aluminum. Obviously, the creation of a high background nitrogen pressure in these experiments was dictated by the desire to avoid the danger of the formation of a liquid phase (droplets) of aluminum during the growth of a single crystal on the growth surface and the walls of the chamber and thereby avoid aluminum losses, as well as the possible formation of crystal structure defects.
Однако при значительном избытке азота в смеси азота и паров алюминия действует медленный диффузионный механизм переноса материала источника к подложке, причем именно скорость переноса ограничивает скорость роста монокристалла. However, with a significant excess of nitrogen in the mixture of nitrogen and aluminum vapor, the slow diffusion mechanism of the transfer of the source material to the substrate acts, and it is the transfer rate that limits the growth rate of the single crystal.
В описанном эксперименте выращиванию при температуре 2250oC препятствовало быстрое испарение карбида кремния покрытия тигля. Выращивание продолжительностью 15 часов со скоростью 30-50 мкм/ч осуществлялось в температурном диапазоне 1950-2050oC. Оценка скорости роста 0,5 мм/ч в течение непродолжительного времени выращивания была получена при температуре источника 2150oC, расстоянии между подложкой и источником 4 мм и поддержании температуры подложки на величину не менее 70oC ниже температуры источника.In the described experiment, the growth at a temperature of 2250 ° C was hindered by the rapid evaporation of silicon carbide from the crucible coating. Growth lasting 15 hours at a speed of 30-50 μm / h was carried out in the temperature range 1950-2050 o C. An estimate of the growth rate of 0.5 mm / h for a short growing time was obtained at a source temperature of 2150 o C, the distance between the substrate and the source 4 mm and maintaining the temperature of the substrate at least 70 o C below the temperature of the source.
Обеспечение значительной разности температур подложки и источника представляет собой техническую проблему в случае малого расстояния между ними, которая может быть решена с помощью сложных конструктивных ухищрений и только ценой непроизводительных затрат энергии, так как приходится принимать меры принудительного охлаждения подложки, нагреваемой тепловым излучением от источника. Кроме того, следует отметить, что повышение рабочей температуры источника и связанной с ней температуры подложки хотя и обеспечивает увеличение скорости роста монокристалла нитрида алюминия, но, помимо повышенного расхода энергии, приводит также к резкому сокращению срока службы тех частей оборудования, которые работают при этих высоких температурах. Ensuring a significant temperature difference between the substrate and the source is a technical problem in the case of a small distance between them, which can be solved with the help of complex design tricks and only at the cost of unproductive energy costs, since it is necessary to take measures of forced cooling of the substrate heated by thermal radiation from the source. In addition, it should be noted that while increasing the operating temperature of the source and the associated substrate temperature, although it provides an increase in the growth rate of an aluminum nitride single crystal, in addition to increased energy consumption, it also leads to a sharp reduction in the service life of those parts of equipment that operate at these high temperatures.
Задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы создать такой способ выращивания монокристалла нитрида алюминия, который позволил бы достичь высокой скорости роста монокристалла при невысоких требованиях к таким параметрам процесса, как рабочая температура источника, расстояние и разность температур между подложкой и источником, и при этом позволил выполнять многократное выращивание объемных монокристаллов без замены частей используемого оборудования, что, в конечном счете, обеспечило бы промышленную применимость способа. The objective of the present invention is to create such a method of growing a single crystal of aluminum nitride, which would achieve a high growth rate of a single crystal with low requirements for process parameters such as operating temperature of the source, the distance and temperature difference between the substrate and the source, and at the same time allowed to perform multiple growth of bulk single crystals without replacing parts of the equipment used, which, ultimately, would ensure the industrial applicability of the method.
Поставленная задача решается тем, что в способе эпитаксиального выращивания монокристаллического нитрида алюминия из смеси азота и паров алюминия, включающем размещение в ростовой камере друг напротив друга подложки и источника алюминия, нагрев и поддержание температур источника и подложки, обеспечивающих, соответственно, образование паров алюминия в составе смеси и рост монокристалла нитрида алюминия на подложке, согласно изобретению давление смеси азота и паров алюминия в ростовой камере поддерживают в интервале 400 миллибар от нижнего значения, равного давлению, создаваемому в замкнутом объеме стехиометрической смесью паров алюминия, образуемых испарением материала источника, с азотом, имеющей соотношение концентраций атомов азота и алюминия, равное 1:1. The problem is solved in that in the method of epitaxial growth of single-crystal aluminum nitride from a mixture of nitrogen and aluminum vapor, which includes placing a substrate and an aluminum source in the growth chamber opposite each other, heating and maintaining the temperature of the source and substrate, which ensure, respectively, the formation of aluminum vapor in the composition mixtures and the growth of a single crystal of aluminum nitride on a substrate, according to the invention, the pressure of the mixture of nitrogen and aluminum vapor in the growth chamber is maintained in the range of 400 mbar from the bottom its value equal pressure generated in a closed volume stoichiometric mixture of aluminum vapor formed by evaporation of the source material, the nitrogen having a concentration ratio of nitrogen and aluminum of 1: 1.
Согласно настоящему изобретению выращивание монокристалла нитрида алюминия осуществляют без использования в процессе роста высокого фонового давления азота, создающего значительный избыток концентрации атомов азота по сравнению с атомами алюминия в составе смеси. According to the present invention, the growth of a single crystal of aluminum nitride is carried out without using a high background pressure of nitrogen during the growth process, which creates a significant excess of the concentration of nitrogen atoms compared to the aluminum atoms in the mixture.
В условиях значительного избытка азота в составе смеси скорость роста монокристалла ограничена скоростью диффузионного переноса атомов алюминия от источника к подложке. Снижение избытка азота в составе смеси до величин, когда ее количественный состав приближается к стехиометрическому соотношению концентраций атомов азота и алюминия, равному 1:1 приводит при неизменных других параметрах процесса к многократному увеличению скорости роста монокристалла нитрида алюминия. Under conditions of a significant excess of nitrogen in the mixture, the growth rate of a single crystal is limited by the rate of diffusion transfer of aluminum atoms from the source to the substrate. A decrease in the excess of nitrogen in the composition of the mixture to values when its quantitative composition approaches the stoichiometric ratio of the concentrations of nitrogen and aluminum atoms, equal to 1: 1, with other process parameters unchanged, leads to a multiple increase in the growth rate of an aluminum nitride single crystal.
Увеличение скорости роста происходит в результате качественного изменения механизма переноса атомов алюминия. При приближении к стехиометрическому соотношению концентраций атомов азота и алюминия над процессом диффузионного переноса начинает преобладать конвективный перенос, выражающийся в направленном движении атомов, составляющих пары источника к более холодной подложке. В случае смеси азота и паров алюминия, как установлено авторами, явление конвективного переноса проявляется очень сильно и сопровождается значительным увеличением скорости переноса материала источника к подложке. Это приводит к увеличению скорости роста монокристалла, которая в первую очередь ограничена скоростью переноса. An increase in the growth rate occurs as a result of a qualitative change in the mechanism of transfer of aluminum atoms. When approaching the stoichiometric ratio of the concentrations of nitrogen and aluminum atoms over the diffusion transfer process, convective transport begins to prevail, which is expressed in the directional motion of the atoms that make up the source pairs to a colder substrate. In the case of a mixture of nitrogen and aluminum vapor, as established by the authors, the phenomenon of convective transport manifests itself very strongly and is accompanied by a significant increase in the rate of transfer of the source material to the substrate. This leads to an increase in the growth rate of a single crystal, which is primarily limited by the transfer rate.
При рабочих температурах выращивания азот присутствует в паровой фазе в виде молекул N2 и соотношение парциальных давлений азота и паров алюминия в их стехиометрической смеси равно 1:2. Вследствие этого, нижнее значение заданного интервала давлений в полтора раза превосходит парциальное давление паров алюминия, образуемых испарением материала источника в замкнутом объеме.At operating temperatures of growing, nitrogen is present in the vapor phase in the form of N 2 molecules and the ratio of the partial pressures of nitrogen and aluminum vapor in their stoichiometric mixture is 1: 2. As a result of this, the lower value of the specified pressure range is one and a half times higher than the partial pressure of aluminum vapor formed by evaporation of the source material in a closed volume.
Целесообразно поддерживать давление смеси азота и паров алюминия в камере, близким к нижнему значению заданного интервала, соответствующему стехиометрическому соотношению концентраций атомов азота и алюминия в смеси, при котором скорость роста монокристалла нитрида алюминия достигает максимума. It is advisable to maintain the pressure of the mixture of nitrogen and aluminum vapor in the chamber close to the lower value of the specified interval, corresponding to the stoichiometric ratio of the concentrations of nitrogen and aluminum atoms in the mixture, at which the growth rate of the aluminum nitride single crystal reaches a maximum.
Одним из возможных путей реализации изобретения является такой, когда в качестве материала источника алюминия используют нитрид алюминия, ростовую камеру до начала нагрева вакуумируют, и герметизируют, и проводят выращивание монокристалла нитрида алюминия при нижнем значении заданного интервала давлений смеси азота и паров алюминия, создаваемой в ростовой камере испарением материала источника. One of the possible ways of implementing the invention is when aluminum nitride is used as the source material of aluminum, the growth chamber is evacuated before heating, and a single crystal of aluminum nitride is grown at a lower value of the specified pressure range of the mixture of nitrogen and aluminum vapor created in the growth chamber by evaporation of the source material.
Авторами установлено, что процесс испарения и последующей рекомбинации паров нитрида алюминия источника в герметичной ростовой камере происходит без образования жидкой фазы алюминия. В герметичной ростовой камере при испарении нитрида алюминия источника создается стехиометрическая смесь азота и паров алюминия, то есть рост монокристалла происходит при давлении смеси, равном нижнему значению заданного интервала давлений, при котором действует механизм конвективного переноса, обеспечивающий максимальную скорость роста. The authors found that the process of evaporation and subsequent recombination of vapors of aluminum nitride source in a sealed growth chamber occurs without the formation of a liquid phase of aluminum. A stoichiometric mixture of nitrogen and aluminum vapor is created in the sealed growth chamber during evaporation of the source aluminum nitride, i.e., the single crystal grows at the mixture pressure equal to the lower value of the specified pressure range, at which the convective transfer mechanism that ensures the maximum growth rate operates.
Другой вариант реализации состоит в том, что в качестве материала источника алюминия используют нитрид алюминия, ростовую камеру, сообщающуюся с внешним пространством, помещают в атмосферу азота, давление которого поддерживают в пределах заданного интервала давлений внутри ростовой камеры. Another implementation option is that aluminum nitride is used as the source material of aluminum, the growth chamber communicating with the external space is placed in an atmosphere of nitrogen, the pressure of which is maintained within a given pressure range inside the growth chamber.
В случае использования нитрида алюминия в качестве материала источника в негерметичной ростовой камере, поддержание заданного количественного состава смеси внутри ростовой камеры путем создания заданного фонового давления азота снаружи позволяет приблизить скорость роста монокристалла к достигаемой с помощью герметичной ростовой камеры. При этом используется более дешевый и технологичный в отношении повторных выращиваний вариант без герметизации ростовой камеры. In the case of using aluminum nitride as a source material in an unpressurized growth chamber, maintaining a predetermined quantitative composition of the mixture inside the growth chamber by creating a predetermined background nitrogen pressure from the outside makes it possible to bring the single crystal growth rate closer to that achieved using a sealed growth chamber. In this case, a cheaper and more technologically advanced re-growing option is used without sealing the growth chamber.
Еще один вариант реализации состоит в том, что в качестве материала источника алюминия используют металлический алюминий, ростовую камеру, сообщающуюся с внешним пространством, помещают в атмосферу азота, давление которого поддерживают в пределах заданного интервала давлений внутри ростовой камеры. В этом случае азот поступает в состав смеси извне ростовой камеры. Another implementation option is that metal aluminum is used as the material of the aluminum source, the growth chamber communicating with the external space is placed in a nitrogen atmosphere, the pressure of which is maintained within a given pressure range inside the growth chamber. In this case, nitrogen enters the mixture from outside the growth chamber.
Источник, содержащий металлический алюминий, обеспечивает в температурном диапазоне ниже 2400oC большую скорость роста монокристалла, чем источник, материалом которого служит нитрид алюминия.A source containing aluminum metal provides in the temperature range below 2400 o C a greater growth rate of a single crystal than a source whose material is aluminum nitride.
Поставленная задача решается также тем, что в ростовой камере для эпитаксиального выращивания монокристаллического нитрида алюминия из смеси азота и паров алюминия, выполненной с возможностью размещения внутри нее источника алюминия и подложки, нагрева и поддержания температур источника и подложки, обеспечивающих соответственно, образование паров алюминия в составе смеси и рост монокристалла нитрида алюминия на подложке, согласно изобретению материал, контактирующий с источником и парами алюминия поверхности ростовой камеры, представляет собой твердый раствор карбида тантала в тантале. The problem is also solved by the fact that in the growth chamber for epitaxial growth of single-crystal aluminum nitride from a mixture of nitrogen and aluminum vapor, made with the possibility of placing an aluminum source and substrate inside it, heating and maintaining the temperature of the source and substrate, respectively providing the formation of aluminum vapor in the composition mixtures and the growth of a single crystal of aluminum nitride on a substrate, according to the invention, the material in contact with the source and aluminum vapor of the surface of the growth chamber, ulation a solid solution of tantalum carbide in tantalum.
Авторами обнаружено, что тантал (Ta), легированный углеродом, представляет собой материал, реакционно-стойкий по отношению к расплаву алюминия и его парам при температурах по меньшей мере до 2500oC. Применение такого материала внутренней поверхности ростовой камеры обеспечивает возможность многократного использования ростовой камеры даже в случае, когда в качестве источника алюминия используется металлический алюминий.The authors found that tantalum (Ta), doped with carbon, is a material that is reaction resistant to molten aluminum and its vapors at temperatures up to at least 2500 o C. The use of such material on the inner surface of the growth chamber provides the possibility of multiple use of the growth chamber even when metal aluminum is used as the source of aluminum.
Ниже приведено подробное описание примеров реализация настоящего изобретения со ссылками на чертежи, на которых,
- фиг.1 схематически изображает устройство для выращивания монокристалла нитрида алюминия;
- фиг.2 изображает температурные зависимости давления стехиометрической смеси азота и паров алюминия для двух различных материалов источника алюминия;
- фиг. 3 изображает семейство кривых зависимости скорости роста монокристалла нитрида алюминия от величины давления смеси азота и паров алюминия для трех различных температур при использовании нитрида алюминия в качестве материала источника алюминия.The following is a detailed description of examples of the implementation of the present invention with reference to the drawings, in which,
- figure 1 schematically depicts a device for growing a single crystal of aluminum nitride;
- figure 2 depicts the temperature dependence of the pressure of a stoichiometric mixture of nitrogen and aluminum vapor for two different materials of the aluminum source;
- FIG. 3 depicts a family of curves showing the growth rate of a single crystal of aluminum nitride on the pressure of a mixture of nitrogen and aluminum vapor for three different temperatures when using aluminum nitride as an aluminum source material.
Для реализации настоящего способа выращивания монокристалла нитрида алюминия используют изображенное на фиг. 1 устройство, имеющее корпус 1, в полости 2 которого установлена ростовая камера 3, в форме цилиндра, замкнутого двумя торцевыми стенками. На одной из торцевых стенок ростовой камеры 3, которая может быть выполнена в виде съемной крышки, устанавливают подложку 4. В качестве материала подложки 4 используют монокристаллический нитрид алюминия или карбид кремния, имеющий близкую с нитридом алюминия кристаллическую структуру. Напротив подложки 4 в ростовой камере 3 размещают источник 5 алюминия. Индукционный нагреватель 6 содержит цилиндрической формы приемник 7 индукционных токов, выполненный из электропроводного графита, и питаемые раздельно секции 8 и 9 СВЧ катушек. Приемник 7 окружен теплоизолятором 10, материалом для которого может служить, например, пористый графит. Такая конструкция ростовой камеры обеспечивает возможность нагрева источника 5 алюминия до температуры не менее 2500oC с помощью секции 9 нагревателя. Нагрев подложки 4 отдельной секции 8 позволяет создавать заданную положительную разность температур между источником 5 и подложкой 4.To implement the present method of growing a single crystal of aluminum nitride, the one shown in FIG. 1 a device having a housing 1, in the cavity 2 of which a growth chamber 3 is installed, in the form of a cylinder closed by two end walls. A substrate 4 is mounted on one of the end walls of the growth chamber 3, which can be made in the form of a removable lid. Single crystal aluminum nitride or silicon carbide having a crystalline structure similar to aluminum nitride is used as the substrate material 4. Opposite the substrate 4, an aluminum source 5 is placed in the growth chamber 3. Induction heater 6 contains a cylindrical-shaped receiver 7 of induction currents made of electrically conductive graphite, and sections 8 and 9 of microwave coils, which are separately fed. The receiver 7 is surrounded by a heat insulator 10, the material for which can serve, for example, porous graphite. This design of the growth chamber provides the possibility of heating the source 5 of aluminum to a temperature of at least 2500 o C using section 9 of the heater. Heating the substrate 4 of a separate section 8 allows you to create a given positive temperature difference between the source 5 and the substrate 4.
Конструкция ростовой камеры зависит от размеров монокристаллов, до которых их предполагается выращивать. Для выращивания монокристаллов большой толщины, до нескольких десятков миллиметров, индукционный нагреватель может быть выполнен перемещаемым вдоль ростовой камеры с тем, чтобы создаваемое им поле температур можно было смещать по мере изменения положения ростовой поверхности монокристалла, сохраняя этим постоянные условия для роста, индукционный нагреватель может не содержать раздельных секций 8 и 9, если конструкция ростовой камеры позволяет обеспечить требуемую разность температур между источником 5 и подложкой 4. Вместо индукционного может быть использован резистивный нагреватель, рабочий элемент которого охватывает область размещения источника алюминия. The design of the growth chamber depends on the size of the single crystals to which they are supposed to be grown. To grow single crystals of large thickness, up to several tens of millimeters, the induction heater can be made movable along the growth chamber so that the temperature field created by it can be shifted as the position of the growth surface of the single crystal changes, while maintaining constant growth conditions, the induction heater may not contain separate sections 8 and 9, if the construction of the growth chamber allows to provide the required temperature difference between the source 5 and the substrate 4. Instead of induction It can be used a resistive heater, the working element of which covers the area of the source of aluminum.
Для увеличения скорости роста монокристалла величину разности температур источника 5 и подложки 4 желательно поддерживать равной нескольким десяткам градусов, при этом расстояние между источником 5 и подложкой 4 с этой же целью следует устанавливать возможно меньше, эти два требования противоречат друг другу, так как при малом расстоянии между источником и подложкой затруднительно обеспечить значительную разность температур между ними вследствие радиационного нагрева подложки 4 от источника 5. Это противоречие может быть преодолено, если принять специальные меры по охлаждению подложки, но это приводит к непроизводительным потерям энергии. Без принятия таких мер, в порядке компромисса, целесообразно выбирать расстояние между источником и подложкой в пределах 3-10 мм при разности температур в пределах 10-30oC соответственно.To increase the growth rate of a single crystal, it is desirable to maintain the temperature difference between the source 5 and the substrate 4 equal to several tens of degrees, while the distance between the source 5 and the substrate 4 should be set as small as possible for the same purpose, these two requirements contradict each other, since at a small distance between the source and the substrate it is difficult to ensure a significant temperature difference between them due to radiation heating of the substrate 4 from the source 5. This contradiction can be overcome, if whether to take special measures to cool the substrate, but this leads to unproductive energy losses. Without taking such measures, as a compromise, it is advisable to choose a distance between the source and the substrate within 3-10 mm with a temperature difference of 10-30 o C, respectively.
Стенки ростовой камеры 3 выполнены из тантала, внутренняя поверхность стенок легирована углеродом. Легирование углеродом проводится следующим образом. Ростовую камеру 3 заполняют порошком графита и медленно нагревают до 2200-2500oC. Температуру повышают с постоянной скоростью в течение 1 - 3 часов и затем выдерживают при максимальной температуре еще в течение 1 - 3 часов. В результате такой обработки материал внутренней поверхности стенок ростовой камеры 3 представляет собой переменный по глубине от поверхности твердый раствор карбида тантала в тантале. Полученный тугоплавкий материал, как установлено авторами, не вступает в реакцию с алюминием при температурах по меньшей мере до 2500oC, что обеспечивает возможность многократного проведения циклов выращивания монокристаллов нитрида алюминия в такой ростовой камере без замены или ремонта ее частей. При этом важно, что внутренние стенки ростовой камеры 3, обработанные описанным способом, практически не адсорбируют алюминий и позволяют использовать в качестве материала источника алюминия металлический алюминий.The walls of the growth chamber 3 are made of tantalum, the inner surface of the walls is doped with carbon. Doping with carbon is as follows. The growth chamber 3 is filled with graphite powder and slowly heated to 2200-2500 o C. The temperature is raised at a constant speed for 1 to 3 hours and then kept at maximum temperature for another 1 to 3 hours. As a result of this treatment, the material of the inner surface of the walls of the growth chamber 3 is a solid solution of tantalum carbide in tantalum that is variable in depth from the surface. The obtained refractory material, as established by the authors, does not react with aluminum at temperatures up to at least 2500 ° C, which makes it possible to repeatedly carry out growing cycles of aluminum nitride single crystals in such a growth chamber without replacing or repairing its parts. It is important that the inner walls of the growth chamber 3 treated by the described method practically do not adsorb aluminum and make it possible to use metallic aluminum as the source material of aluminum.
В варианте выращивания монокристалла из паров нитрида алюминия источника в герметизированной ростовой камере процесс осуществляют следующим образом. До начала нагрева полость 2 для удаления из нее атмосферных газов продувают чистым азотом при открытой ростовой камере 3. Полость 2 вакуумируют, и ростовую камеру 3 герметизируют, например, методом вакуумной сварки. Возможно также производить вакуумирование и герметизацию ростовой камеры 3 до ее установки в полости 2. Затем, с помощью нагревателя 6 источник 5, выполненный в виде брикета спрессованного из порошка поликристаллического нитрида алюминия, и подложку 4 нагревают до рабочих температур, при которых происходит дальнейший процесс выращивания. Рабочие температуры, при которых целесообразно проводить выращивание нитрида алюминия, лежат в интервале 2000-2500oC. Откачку ростовой камеры 3 производят до величины остаточного давления азота, малой по сравнению с заданной величиной интервала отклонений от давления стехиометрической смеси. Практически, достаточной является откачка до величины давления азота в несколько единиц миллибар.In a variant of growing a single crystal from vapors of aluminum nitride source in a sealed growth chamber, the process is as follows. Before heating, the cavity 2 is purged with pure nitrogen to remove atmospheric gases with the growth chamber 3 open. The cavity 2 is evacuated and the growth chamber 3 is sealed, for example, by vacuum welding. It is also possible to evacuate and seal the growth chamber 3 before installing it in the cavity 2. Then, using a heater 6, the source 5, made in the form of a briquette of polycrystalline aluminum nitride pressed from a powder, and the substrate 4 are heated to operating temperatures at which the further growth process occurs . Operating temperatures at which it is advisable to grow aluminum nitride are in the range of 2000-2500 o C. The growth chamber 3 is pumped out to a residual nitrogen pressure that is small compared to a predetermined interval of deviations from the pressure of the stoichiometric mixture. In practice, it is sufficient to pump down to a nitrogen pressure of several units of a millibar.
В процессе нагрева источника 5 начальное давление в ростовой камере 3, создаваемое оставшимся после откачки азотом, возрастает по мере испарения материала источника 5. Испарение нитрида алюминия источника 5 происходит стехиометрически, то есть при тепловом разложении молекулы AlN оба элемента переходят в паровую фазу. Образования жидкой фазы алюминия не происходит. При этом соотношение концентраций атомов азота и алюминия в ростовой камере 3 равно 1: 1, если пренебречь небольшим начальным содержанием азота. Таким образом, выращивание монокристалла нитрида алюминия в герметизированной ростовой камере 3 происходит при нижнем значении определяемого формулой изобретения интервала давлений смеси азота и паров алюминия, соответствующем стехиометрическому соотношению концентраций атомов азота и алюминия в смеси. During the heating of source 5, the initial pressure in the growth chamber 3, created by the nitrogen remaining after pumping, increases as the source 5 material evaporates. The evaporation of aluminum nitride from source 5 occurs stoichiometrically, i.e., upon thermal decomposition of the AlN molecule, both elements pass into the vapor phase. The formation of a liquid phase of aluminum does not occur. In this case, the ratio of the concentrations of nitrogen and aluminum atoms in the growth chamber 3 is 1: 1, if we neglect the small initial nitrogen content. Thus, the growth of a single crystal of aluminum nitride in a sealed growth chamber 3 occurs at a lower value of the pressure range of the mixture of nitrogen and aluminum vapor determined by the claims, corresponding to the stoichiometric ratio of the concentrations of nitrogen and aluminum atoms in the mixture.
В случае стехиометрического состава смеси азота и паров алюминия происходит конвективный перенос материала источника 5 на подложку 4, представляющий собой направленное движение атомов алюминия и молекул азота от источника 5 к подложке 4, и поэтому значительно более быстрый, чем диффузионный перенос. In the case of a stoichiometric composition of a mixture of nitrogen and aluminum vapor, the material of the source 5 is convectively transferred to the substrate 4, which is a directed movement of aluminum atoms and nitrogen molecules from the source 5 to the substrate 4, and therefore is much faster than diffusion transfer.
При диффузионном переносе скорость роста монокристалла ограничивается скоростью переноса материала источника 5 к подложке 4, обратно пропорциональной расстоянию между ними, которое для увеличения скорости роста требуется делать малым. При чисто конвективном переносе, возникающем в условиях точного стехиометрического соотношения концентраций атомов азота и алюминия, скорость роста тем выше, чем выше давление стехиометрической смеси, которое определяется скоростью испарения материала источника 5. Скорость испарения практически не зависит от расстояния между источником 5 и подложкой 4. Вследствие этого, изменение расстояния между источником 5 и подложкой по крайней мере в пределах, не превышающих поперечные размеры подложки 4, не сказывается на скорость роста. Это, в свою очередь, позволяет работать с большими значениями разности температур источника 5 и подложки 4, увеличение которой приводит к увеличению скорости испарения материала источника 5 и, соответственно, к дополнительному увеличению скорости роста монокристалла. In diffusion transfer, the growth rate of a single crystal is limited by the transfer rate of the material of the source 5 to the substrate 4, which is inversely proportional to the distance between them, which must be made small to increase the growth rate. With a purely convective transfer arising under conditions of an exact stoichiometric ratio of the concentrations of nitrogen and aluminum atoms, the growth rate is higher, the higher the pressure of the stoichiometric mixture, which is determined by the evaporation rate of source material 5. The evaporation rate is practically independent of the distance between source 5 and substrate 4. As a result of this, a change in the distance between the source 5 and the substrate, at least in the range not exceeding the transverse dimensions of the substrate 4, does not affect the growth rate. This, in turn, allows one to work with large values of the temperature difference between the source 5 and the substrate 4, the increase of which leads to an increase in the evaporation rate of the material of the source 5 and, accordingly, to an additional increase in the growth rate of the single crystal.
В герметизированной ростовой камере 3 собственные пары нитрида алюминия источника 5 образуют смесь со стехиометрическим соотношением концентраций атомов азота и алюминия. При этом обеспечивается максимальная скорость роста монокристалла по сравнению с достигаемой при тех же условиях в присутствии избыточного содержания в смеси азота. In a sealed growth chamber 3, the intrinsic pairs of aluminum nitride source 5 form a mixture with a stoichiometric ratio of the concentrations of nitrogen and aluminum atoms. This ensures the maximum growth rate of the single crystal compared to that achieved under the same conditions in the presence of an excess nitrogen content in the mixture.
Полученная численными методами зависимость давления в герметизированной ростовой камере 3 от температуры источника 5 представлена на фиг. 2 кривой А. The dependence of the pressure in the sealed growth chamber 3 on the temperature of the source 5 obtained by numerical methods is shown in FIG. 2 curve A.
Лучше приспособленным для проведения последовательных циклов выращивания монокристаллов нитрида алюминия является вариант выращивания без герметизации ростовой камеры 3, в этом случае может быть обеспечено быстрое извлечение выращенного монокристалла. Better adapted for carrying out successive cycles of growing single crystals of aluminum nitride is the option of growing without sealing the growth chamber 3, in this case, quick extraction of the grown single crystal can be ensured.
В случае использования поликристаллического нитрида алюминия как материала источника 5 алюминия выращивание монокристалла осуществляют следующим образом. In the case of using polycrystalline aluminum nitride as a material of aluminum source 5, the single crystal is grown as follows.
До начала нагрева источник 5, подложку 4 и ростовую камеру 3 подготавливают так же, как в предыдущем варианте. Before heating, the source 5, the substrate 4 and the growth chamber 3 are prepared in the same way as in the previous embodiment.
При выращивании монокристалла без герметизации ростовой камеры 3 требуется предотвратить утечку из нее паров источника 5. С этой целью в полости 2, сообщающейся с ростовой камерой 3, через зазоры соединений ее частей или специально выполненные каналы (не показаны) создают уравновешивающее давление азота не ниже такого, которое создавали бы собственные пары нитрида алюминия источника 5 в замкнутом объеме. When growing a single crystal without sealing the growth chamber 3, it is necessary to prevent leakage of the vapors of source 5 from it. To this end, in the cavity 2, which communicates with the growth chamber 3, through the clearances of the connections of its parts or specially made channels (not shown) create a balancing nitrogen pressure not lower than , which would create their own pairs of aluminum nitride source 5 in a closed volume.
Выбор величины давления азота в полости 2 является ключевым для достижения высокой скорости роста монокристалла нитрида алюминия при умеренных значениях рабочей температуры источника 5 и разности температур источника 5 и подложки 4. Для получения максимальной скорости роста давление азота в полости 2 в установившемся рабочем температурном режиме должно быть равно давлению, создаваемому парами нитрида алюминия в герметизированной ростовой камере 3, имеющими стехиометрическое соотношение концентраций атомов азота и алюминия. The choice of the nitrogen pressure in cavity 2 is key to achieving a high growth rate of an aluminum nitride single crystal at moderate operating temperatures of source 5 and the temperature difference between source 5 and substrate 4. To obtain the maximum growth rate, the nitrogen pressure in cavity 2 in a steady-state operating temperature should be equal to the pressure created by the pairs of aluminum nitride in a sealed growth chamber 3 having a stoichiometric ratio of the concentrations of nitrogen and aluminum atoms.
Давление в полости 2, соответствующее максимальной скорости роста монокристалла при заданной рабочей температуре источника 5, может быть определено по изображенной на фиг. 2 кривой А. Кривая А показывает расчетную величину давления, создаваемого в замкнутом объеме стехиометрической смесью паров алюминия, образованных испарением материала источника 5, и азота для случая, когда материалом источника 5 является нитрид алюминия. The pressure in the cavity 2, corresponding to the maximum growth rate of the single crystal at a given operating temperature of the source 5, can be determined from the one shown in FIG. 2 of curve A. Curve A shows the calculated value of the pressure generated in a closed volume by a stoichiometric mixture of aluminum vapor formed by evaporation of the source 5 material and nitrogen for the case when the source material 5 is aluminum nitride.
До начала нагрева устанавливают минимальное, например несколько миллибар, начальное давление азота в полости 2 и, соответственно, в сообщающейся с ней ростовой камере 3. В процессе нагрева источника 5 давление азота в полости 2 повышают соответственно росту давления паров источника 5, определяя текущее приращение давления по кривой А, фиг.2. Таким образом, в каждый момент в процессе нагрева давление в полости 2 превышает расчетное давление паров нитрида алюминия в ростовой камере 3 на величину начального давления, устанавливаемого в полости 2. Описанная процедура выхода на рабочий режим выращивания является наилучшей в том смысле, что позволяет избежать на этом этапе потерь паров алюминия и предотвратить их возможный контакт с незащищенными элементами конструкции устройства при выходе паров алюминия за пределы внутренней полости ростовой камеры 3. Последнее имело бы место в случае, если соответствующее рабочему режиму давление азота создавалось в полости 2 до начала нагрева. В этом случае до начала нагрева азот поступает в ростовую камеру 3 из полости 2, а в процессе нагрева, вследствие образования паров нитрида алюминия, давление в ростовой камере 3 становится выше внешнего и часть смеси азота и паров алюминия вытесняется из нее в полость 2, при этом внутри ростовой камеры 3 будет сохраняться избыточное содержание азота, тормозящее рост монокристалла. Prior to heating, a minimum, for example, a few millibar, initial pressure of nitrogen is established in cavity 2 and, accordingly, in growth chamber 3 communicating with it. During heating of source 5, nitrogen pressure in cavity 2 is increased correspondingly to increase in vapor pressure of source 5, determining the current pressure increment along curve A, FIG. 2. Thus, at each moment during the heating process, the pressure in the cavity 2 exceeds the calculated vapor pressure of aluminum nitride in the growth chamber 3 by the value of the initial pressure established in the cavity 2. The described procedure for reaching the growing operating mode is the best in the sense that avoids at this stage, the loss of aluminum vapor and to prevent their possible contact with unprotected structural elements of the device when the aluminum vapor leaves the inner cavity of the growth chamber 3. The latter would take place in if the nitrogen pressure corresponding to the operating mode was created in the cavity 2 prior to heating. In this case, before heating begins, nitrogen enters the growth chamber 3 from cavity 2, and during heating, due to the formation of aluminum nitride vapor, the pressure in the growth chamber 3 becomes higher than the external one and part of the mixture of nitrogen and aluminum vapor is displaced from it into cavity 2, at this inside the growth chamber 3 will remain an excessive nitrogen content, inhibiting the growth of a single crystal.
На фиг. 3 изображено семейство кривых, соответствующих трем различным температурам, зависимости скорости роста монокристалла нитрида алюминия от величины давления азота в полости 2, равного полному давлению смеси азота и паров алюминия в ростовой камере 3. Графики соответствуют разности температур между источником 5, материалом которого служит нитрид алюминия, и подложкой 4, равной 70oC, и расстоянию между источником 5 и подложкой 4, равным 4 мм. Эти графики позволяют определить диапазон отклонений от стехиометрического соотношения концентраций атомов азота и алюминия в смеси, не приводящих к существенному снижению скорости роста монокристалла, в частности, выбрать величину начального давления азота в полости 2.In FIG. Figure 3 shows a family of curves corresponding to three different temperatures, the dependence of the growth rate of an aluminum nitride single crystal on the nitrogen pressure in cavity 2, equal to the total pressure of the mixture of nitrogen and aluminum vapor in the growth chamber 3. The graphs correspond to the temperature difference between the source 5, the material of which is aluminum nitride and a substrate 4 of 70 ° C and a distance between the source 5 and the substrate 4 of 4 mm. These graphs allow you to determine the deviation range from the stoichiometric ratio of the concentrations of nitrogen and aluminum atoms in the mixture, which do not lead to a significant decrease in the growth rate of a single crystal, in particular, to choose the value of the initial nitrogen pressure in cavity 2.
При первом выращивании в конкретном экземпляре ростовой камеры 3 скорость подъема давления азота в полости 2 при нагреве источника 5 может быть увеличена по отношению к определяемой по кривой А, фиг. 2, что приведет к выходу на режим выращивания при большем избытке азота в составе смеси в ростовой камере и соответствующему снижению скорости роста. Скорость увеличения давления и, соответственно, конечная величина давления азота в полости 2 в соответствии с результатами пробных выращиваний может быть в дальнейшем подвергнута корректировке, исправляющей погрешности расчетов и измерения температур. During the first growth in a specific instance of the growth chamber 3, the rate of rise of the nitrogen pressure in the cavity 2 when the source 5 is heated can be increased with respect to that determined by curve A, FIG. 2, which will lead to entering the growing regime with a larger excess of nitrogen in the composition of the mixture in the growth chamber and a corresponding decrease in the growth rate. The rate of increase in pressure and, accordingly, the final value of the nitrogen pressure in cavity 2, in accordance with the results of test growths, can be further adjusted to correct errors in calculations and temperature measurements.
В случае использования металлического алюминия в качестве материала источника 5 алюминия выращивание монокристалла нитрида алюминия осуществляют в ростовой камере 3, сообщающейся с полостью 2, аналогично предыдущему варианту. Особенностью данного варианта является отсутствие азота в материале источника. Образование смеси азота и паров алюминия в ростовой камере 3 происходит благодаря поступлению в нее азота из полости 2. In the case of using aluminum metal as the source material of aluminum 5, the growth of a single crystal of aluminum nitride is carried out in a growth chamber 3 communicating with the cavity 2, similarly to the previous embodiment. A feature of this option is the absence of nitrogen in the source material. The formation of a mixture of nitrogen and aluminum vapor in the growth chamber 3 occurs due to the entry of nitrogen into it from the cavity 2.
Изменение давления азота в полости 2 в процессе нагрева источника 5 производят в соответствии с графиком, изображаемым кривой В, фиг. 2. Кривая В показывает расчетную величину давления, создаваемого в замкнутом объеме стехиометрической смесью паров алюминия, образованных испарением материала источника 5, и азота для случая, когда материалом источника 5 является металлический алюминий. The change in nitrogen pressure in the cavity 2 during the heating of the source 5 is carried out in accordance with the graph depicted by curve B, FIG. 2. Curve B shows the calculated value of the pressure generated in a closed volume by a stoichiometric mixture of aluminum vapor formed by evaporation of the source material 5 and nitrogen for the case when the source material 5 is metallic aluminum.
Кривая В, соответствующая металлическому алюминию, при умеренных температурах источника 5 демонстрирует более высокое полное давление стехиометрической смеси азота и паров алюминия в ростовой камере 3, чем кривая А, соответствующая нитриду алюминия. Поскольку скорость роста монокристалла нитрида алюминия при увеличении давления стехиометрической смеси азота и паров алюминия возрастает, использование металлического алюминия в качестве материала источника 5 алюминия обеспечивает более высокую скорость роста в предпочтительной для практического применения нижней части диапазона рабочих температур источника 5. Следует отметить, что при использовании металлического алюминия в качестве материала источника 5 имеется возможность измерять скорость роста монокристалла в процессе выращивания по величине расхода азота, необходимого для поддержания постоянного давления в полости 2. Это предоставляет возможность подбора оптимальных значений параметров непосредственно в процессе выращивания. Curve B corresponding to metallic aluminum, at moderate temperatures of source 5, shows a higher total pressure of a stoichiometric mixture of nitrogen and aluminum vapor in the growth chamber 3 than curve A corresponding to aluminum nitride. Since the growth rate of a single crystal of aluminum nitride increases with increasing pressure of a stoichiometric mixture of nitrogen and aluminum vapor, the use of aluminum metal as a source material of aluminum 5 provides a higher growth rate in the lower part of the operating temperature range of source 5, which is preferable for practical use, It should be noted that when using aluminum metal as a source material 5, it is possible to measure the growth rate of a single crystal in the process of growing pressure on the amount of nitrogen flow necessary to maintain a constant pressure in the cavity 2. This provides the opportunity to select the optimal parameter values directly in the growing process.
Предложенное изобретение не ограничивается рамками описанных примеров реализации и допускает очевидные специалисту в данной области техники модификации способа, не выходящие за пределы объема изобретения, определяемого его формулой. The proposed invention is not limited to the described examples of implementation and allows obvious to the person skilled in the art modifications of the method, not beyond the scope of the invention defined by its formula.
Claims (6)
Priority Applications (8)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU99117433/12A RU2158789C1 (en) | 1999-08-04 | 1999-08-04 | Technology of epitaxial growth of monocrystalline aluminum nitride and growth chamber for implementation of technology |
| EP00957160A EP1270768A1 (en) | 1999-08-04 | 2000-08-02 | Epitaxial growing method for growing aluminum nitride and growing chamber therefor |
| JP2001515359A JP2003519064A (en) | 1999-08-04 | 2000-08-02 | Epitaxial growth method and growth chamber for aluminum nitride growth |
| KR1020027001520A KR20020059353A (en) | 1999-08-04 | 2000-08-02 | Epitaxial growing method for growing aluminum nitride and growing chamber therefor |
| PCT/RU2000/000331 WO2001011116A1 (en) | 1999-08-04 | 2000-08-02 | Epitaxial growing method for growing aluminum nitride and growing chamber therefor |
| CNB008112533A CN1173079C (en) | 1999-08-04 | 2000-08-02 | Epitaxial growing method for aluminium nitride and growing chamber therefor |
| CA002383400A CA2383400A1 (en) | 1999-08-04 | 2000-08-02 | Epitaxial growing method for growing aluminum nitride and growing chamber therefor |
| US10/067,631 US20020170490A1 (en) | 1999-08-04 | 2002-02-04 | Method and apparatus for growing aluminum nitride monocrystals |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU99117433/12A RU2158789C1 (en) | 1999-08-04 | 1999-08-04 | Technology of epitaxial growth of monocrystalline aluminum nitride and growth chamber for implementation of technology |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2158789C1 true RU2158789C1 (en) | 2000-11-10 |
Family
ID=20223765
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU99117433/12A RU2158789C1 (en) | 1999-08-04 | 1999-08-04 | Technology of epitaxial growth of monocrystalline aluminum nitride and growth chamber for implementation of technology |
Country Status (8)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US20020170490A1 (en) |
| EP (1) | EP1270768A1 (en) |
| JP (1) | JP2003519064A (en) |
| KR (1) | KR20020059353A (en) |
| CN (1) | CN1173079C (en) |
| CA (1) | CA2383400A1 (en) |
| RU (1) | RU2158789C1 (en) |
| WO (1) | WO2001011116A1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2468128C1 (en) * | 2011-06-15 | 2012-11-27 | Общество с ограниченной ответственностью "Комплектующие и Материалы" (ООО "КИМ") | METHOD OF GROWING AlN MONOCRYSTAL AND APPARATUS FOR REALISING SAID METHOD |
| RU2485219C1 (en) * | 2009-04-24 | 2013-06-20 | Нэшнл Инститьют Оф Эдванст Индастриал Сайенс Энд Текнолоджи | Manufacturing device for monocrystalline aluminium nitride, manufacturing method of monocrystalline aluminium nitride, and monocrystalline aluminium nitride |
Families Citing this family (34)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7244350B2 (en) | 2001-08-08 | 2007-07-17 | Shell Oil Company | Process to prepare a hydrocarbon product having a sulphur content below 0.05 wt |
| US20060005763A1 (en) | 2001-12-24 | 2006-01-12 | Crystal Is, Inc. | Method and apparatus for producing large, single-crystals of aluminum nitride |
| US8545629B2 (en) | 2001-12-24 | 2013-10-01 | Crystal Is, Inc. | Method and apparatus for producing large, single-crystals of aluminum nitride |
| US7638346B2 (en) | 2001-12-24 | 2009-12-29 | Crystal Is, Inc. | Nitride semiconductor heterostructures and related methods |
| US6770135B2 (en) * | 2001-12-24 | 2004-08-03 | Crystal Is, Inc. | Method and apparatus for producing large, single-crystals of aluminum nitride |
| EP1534803A1 (en) | 2002-07-19 | 2005-06-01 | Shell Internationale Researchmaatschappij B.V. | Use of a fischer-tropsch derived fuel in a condensing boiler |
| DE10335538A1 (en) * | 2003-07-31 | 2005-02-24 | Sicrystal Ag | Process and apparatus for AIN single crystal production with gas permeable crucible wall |
| JP5349373B2 (en) * | 2004-07-08 | 2013-11-20 | 日本碍子株式会社 | Method for producing aluminum nitride single crystal |
| JP4670002B2 (en) * | 2004-07-20 | 2011-04-13 | 学校法人早稲田大学 | Method for producing nitride single crystal |
| EP1868959B1 (en) * | 2005-04-06 | 2011-08-17 | North Carolina State University | Method of preparing dense, shaped articles constructed of a refractory material |
| JP5053993B2 (en) * | 2005-04-07 | 2012-10-24 | ノース・キャロライナ・ステイト・ユニヴァーシティ | Seed-forming growth method for preparing aluminum nitride single crystals |
| EP1960570A2 (en) * | 2005-11-28 | 2008-08-27 | Crystal Is, Inc. | Large aluminum nitride crystals with reduced defects and methods of making them |
| JP5281408B2 (en) * | 2005-12-02 | 2013-09-04 | クリスタル・イズ，インコーポレイテッド | Doped aluminum nitride crystal and method for producing the same |
| EP2007933B1 (en) | 2006-03-30 | 2017-05-10 | Crystal Is, Inc. | Methods for controllable doping of aluminum nitride bulk crystals |
| US9034103B2 (en) | 2006-03-30 | 2015-05-19 | Crystal Is, Inc. | Aluminum nitride bulk crystals having high transparency to ultraviolet light and methods of forming them |
| US7524376B2 (en) * | 2006-05-04 | 2009-04-28 | Fairfield Crystal Technology, Llc | Method and apparatus for aluminum nitride monocrystal boule growth |
| US8377204B2 (en) * | 2006-06-16 | 2013-02-19 | Sumitomo Electric Industries, Ltd. | Group III nitride single crystal and method of its growth |
| US8323406B2 (en) | 2007-01-17 | 2012-12-04 | Crystal Is, Inc. | Defect reduction in seeded aluminum nitride crystal growth |
| US9771666B2 (en) | 2007-01-17 | 2017-09-26 | Crystal Is, Inc. | Defect reduction in seeded aluminum nitride crystal growth |
| US9437430B2 (en) | 2007-01-26 | 2016-09-06 | Crystal Is, Inc. | Thick pseudomorphic nitride epitaxial layers |
| US8080833B2 (en) | 2007-01-26 | 2011-12-20 | Crystal Is, Inc. | Thick pseudomorphic nitride epitaxial layers |
| US8088220B2 (en) * | 2007-05-24 | 2012-01-03 | Crystal Is, Inc. | Deep-eutectic melt growth of nitride crystals |
| DE102009016137B4 (en) * | 2009-04-03 | 2012-12-20 | Sicrystal Ag | A low-AlN bulk single-crystal, low-dislocation AlN substrate production process |
| JP5317117B2 (en) * | 2009-07-23 | 2013-10-16 | 株式会社フジクラ | Nitride single crystal manufacturing equipment |
| JP5806734B2 (en) | 2010-06-30 | 2015-11-10 | クリスタル アイエス, インコーポレーテッドCrystal Is, Inc. | Large single crystal growth of aluminum nitride by thermal gradient control |
| JP5744052B2 (en) * | 2010-11-10 | 2015-07-01 | 株式会社フジクラ | Manufacturing apparatus and manufacturing method of aluminum nitride single crystal |
| US8962359B2 (en) | 2011-07-19 | 2015-02-24 | Crystal Is, Inc. | Photon extraction from nitride ultraviolet light-emitting devices |
| US20150280057A1 (en) | 2013-03-15 | 2015-10-01 | James R. Grandusky | Methods of forming planar contacts to pseudomorphic electronic and optoelectronic devices |
| CN104371560B (en) * | 2014-10-23 | 2016-09-21 | 中国电子科技集团公司第四十六研究所 | A kind of aluminum base high-temperature agglomerant for the stickup of AlN seed crystal and preparation method thereof |
| CN106119954B (en) * | 2016-08-31 | 2018-11-06 | 台州市一能科技有限公司 | A kind of single-crystal silicon carbide manufacturing device |
| CN107687023B (en) * | 2017-08-21 | 2020-10-30 | 奥趋光电技术(杭州)有限公司 | Fixing device and method for seed crystal or substrate in aluminum nitride single crystal growth |
| CN107541782A (en) * | 2017-08-21 | 2018-01-05 | 苏州奥趋光电技术有限公司 | A kind of aluminum-nitride single crystal selects crystal method |
| CN110791811A (en) * | 2019-11-21 | 2020-02-14 | 北京大学 | Method and device for expanding growth of AlN single crystal |
| US12006591B2 (en) | 2020-03-02 | 2024-06-11 | Ii-Vi Advanced Materials, Llc | Method for preparing an aluminum doped silicon carbide crystal by providing a compound including aluminum and oxygen in a capsule comprised of a first and second material |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2097452C1 (en) * | 1996-02-22 | 1997-11-27 | Юрий Александрович Водаков | Method for epitaxial growth of monocrystals of metals nitrides of 3a group of chemical elements |
| JP3876473B2 (en) * | 1996-06-04 | 2007-01-31 | 住友電気工業株式会社 | Nitride single crystal and manufacturing method thereof |
-
1999
- 1999-08-04 RU RU99117433/12A patent/RU2158789C1/en not_active IP Right Cessation
-
2000
- 2000-08-02 WO PCT/RU2000/000331 patent/WO2001011116A1/en active Application Filing
- 2000-08-02 CN CNB008112533A patent/CN1173079C/en not_active Expired - Fee Related
- 2000-08-02 JP JP2001515359A patent/JP2003519064A/en active Pending
- 2000-08-02 KR KR1020027001520A patent/KR20020059353A/en not_active Application Discontinuation
- 2000-08-02 CA CA002383400A patent/CA2383400A1/en not_active Abandoned
- 2000-08-02 EP EP00957160A patent/EP1270768A1/en not_active Withdrawn
-
2002
- 2002-02-04 US US10/067,631 patent/US20020170490A1/en not_active Abandoned
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| BALKAS C.M. et. al. Growth of bulk AlN and GaN single crystals by sublimation. Materials Research Society Symposium Proccedings. Vol.449, 1997. К.Т.ВИЛЬКЕ. Методы выращивания кристаллов. - Л.: Недра, 1968, с.303-306. * |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2485219C1 (en) * | 2009-04-24 | 2013-06-20 | Нэшнл Инститьют Оф Эдванст Индастриал Сайенс Энд Текнолоджи | Manufacturing device for monocrystalline aluminium nitride, manufacturing method of monocrystalline aluminium nitride, and monocrystalline aluminium nitride |
| US8641821B2 (en) | 2009-04-24 | 2014-02-04 | National Institute Of Advanced Industrial Science And Technology | Apparatus for manufacturing aluminum nitride single crystal, method for manufacturing aluminum nitride single crystal, and aluminum nitride single crystal |
| RU2468128C1 (en) * | 2011-06-15 | 2012-11-27 | Общество с ограниченной ответственностью "Комплектующие и Материалы" (ООО "КИМ") | METHOD OF GROWING AlN MONOCRYSTAL AND APPARATUS FOR REALISING SAID METHOD |
| WO2012173520A1 (en) * | 2011-06-15 | 2012-12-20 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Комплектующие И Материалы" | Method for growing an aln monocrystal and device for implementing same |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR20020059353A (en) | 2002-07-12 |
| US20020170490A1 (en) | 2002-11-21 |
| JP2003519064A (en) | 2003-06-17 |
| CN1173079C (en) | 2004-10-27 |
| CN1371433A (en) | 2002-09-25 |
| WO2001011116A1 (en) | 2001-02-15 |
| CA2383400A1 (en) | 2002-02-01 |
| EP1270768A1 (en) | 2003-01-02 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2158789C1 (en) | Technology of epitaxial growth of monocrystalline aluminum nitride and growth chamber for implementation of technology | |
| US4063974A (en) | Planar reactive evaporation method for the deposition of compound semiconducting films | |
| EP2330236B1 (en) | METHOD AND APPARATUS FOR MANUFACTURING SiC SINGLE CRYSTAL FILM | |
| RU2495163C2 (en) | Method for obtaining large homogeneous crystals of silicon carbide using distillation and condensation processes | |
| Pütz et al. | A comparative study of Ga (CH3) 3 and Ga (C2H5) 3 in the MOMBE of GaAs | |
| JP6001768B2 (en) | NU-type and PI-type vanadium-compensated SISiC single crystal and crystal growth method thereof | |
| CA2524581C (en) | Silicon carbide single crystal, silicon carbide substrate and manufacturing method for silicon carbide single crystal | |
| US3979271A (en) | Deposition of solid semiconductor compositions and novel semiconductor materials | |
| JP2000302600A (en) | Method for growing large-sized single-polytype silicon carbide single crystal | |
| RU2094547C1 (en) | Sublimation method for growing silicon carbide monocrystals and silicon carbide source involved | |
| US7371281B2 (en) | Silicon carbide single crystal and method and apparatus for producing the same | |
| JP3902225B2 (en) | Method and apparatus for producing silicon carbide single crystal by sublimation breeding | |
| Semmelroth et al. | Growth of SiC polytypes by the physical vapour transport technique | |
| KR100749860B1 (en) | Apparatus for growing single crystal and method for growing single crystal | |
| US8613802B2 (en) | Nitride semiconductor crystal manufacturing apparatus, nitride semiconductor crystal manufacturing method, and nitride semiconductor crystal | |
| RU2097452C1 (en) | Method for epitaxial growth of monocrystals of metals nitrides of 3a group of chemical elements | |
| WO2010082574A1 (en) | Method for producing nitride semiconductor crystal, nitride semiconductor crystal, and apparatus for producing nitride semiconductor crystal | |
| US7867335B2 (en) | GaN bulk growth by Ga vapor transport | |
| JP4774959B2 (en) | Method for growing AlN single crystal | |
| JP2005008472A (en) | High quality 4h-type silicon carbide single crystal and single crystal wafer | |
| KR20200024279A (en) | Method for manufacturing ammonia and apparatus for producing ammonia | |
| JP5657949B2 (en) | Low nitrogen concentration graphite material and storage method thereof | |
| JPS5837388B2 (en) | Kisouseichiyouhouhou | |
| US11869767B2 (en) | Gallium nitride vapor phase epitaxy apparatus used in vapor phase epitaxy not using organic metal as a gallium raw material and manufacturing method therefor | |
| KR200412993Y1 (en) | Apparatus for growing single crystal |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20130805 |